Roma — Le pigne come modello: i ricercatori delle università di Stoccarda e Friburgo hanno sviluppato un nuovo sistema di facciata autonomo dal punto di vista energetico che si adatta passivamente alle condizioni atmosferiche. La rivista Nature Communications ha pubblicato i risultati della ricerca.
“La maggior parte dei tentativi di risposta alle intemperie nelle facciate architettoniche si basano in gran parte su elaborati dispositivi tecnici. La nostra ricerca esplora come possiamo sfruttare la risposta del materiale stesso attraverso la progettazione computazionale avanzata e la produzione additiva”, afferma il professor Achim Menges, direttore dell’Institute for Computational Design and Construction (ICD) e portavoce del Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) presso l’Università di Stoccarda. “Stiamo realizzando un sistema di ombreggiatura che si apre e si chiude autonomamente in risposta ai cambiamenti meteorologici, senza la necessità di energia operativa o di elementi meccatronici. La struttura del biomateriale stesso è la macchina”.
Utilizzando design bioispirati, materiali naturali e tecnologie ampiamente accessibili, i ricercatori delle università di Stoccarda e Friburgo hanno sviluppato il sistema di facciata “Solar Gate” , il primo sistema di ombreggiatura adattivo e reattivo alle intemperie che funziona senza energia elettrica. Gli scienziati hanno utilizzato i meccanismi di movimento delle pigne come modello per il “Solar Gate”, che si apre e si chiude in risposta ai cambiamenti di umidità e temperatura senza consumare energia metabolica. Il team è riuscito a replicare la struttura anisotropica (dipendente dalla direzione) della cellulosa nei tessuti vegetali utilizzando stampanti 3D standard. La cellulosa è un materiale naturale, abbondante e rinnovabile che si gonfia e si restringe con le variazioni di umidità. Questa proprietà, nota come igromorfismo, è frequentemente osservata in natura, ad esempio nell’apertura e nella chiusura delle squame delle pigne o delle infiorescenze del cardo argentato. Il team di ricerca ha sfruttato questa proprietà igromorfica progettando su misura fibre di cellulosa di origine biologica e stampandole in 4D in una struttura a doppio strato ispirata alle squame della pigna.
I sistemi di materiali prodotti da questa tecnica di produzione additiva chiamata stampa 4D possono cambiare autonomamente la loro forma in risposta a stimoli esterni. Per il “Solar Gate”, i ricercatori hanno sviluppato un metodo di fabbricazione computazionale per controllare l’estrusione di materiali cellulosici utilizzando una stampante 3D standard, rendendo possibile sfruttare il comportamento automodellante e reversibile del sistema di materiali stampati in 4D. In condizioni di elevata umidità, i materiali cellulosici assorbono l’umidità e si espandono, causando l’arricciamento e l’apertura degli elementi stampati. Al contrario, in condizioni di bassa umidità, i materiali cellulosici rilasciano l’umidità e si contraggono, causando l’appiattimento e la chiusura degli elementi stampati.
“Ispirandosi ai movimenti igroscopici delle squame delle pigne e delle brattee del cardo argentato, Solar Gate è riuscita a tradurre non solo l’elevata funzionalità e robustezza dei modelli biologici in un sistema di ombreggiatura bioispirato, ma anche l’estetica dei movimenti delle piante. Questo può essere visto come la “via maestra della bionica”, poiché tutto ciò che ci affascina dei generatori di concetti biologici è stato realizzato anche nel prodotto architettonico bioispirato”, afferma il professor Thomas Speck, responsabile del Plant Biomechanics Group Freiburg e portavoce del Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems ( liv MatS) presso l’Università di Freiburg.
Il team di ricerca ha testato la funzionalità e la durata del sistema di ombreggiatura adattivo bioispirato in condizioni meteorologiche reali per oltre un anno. Il “Solar Gate” è stato quindi installato sul liv MatS Biomimetic Shell, un dimostratore edilizio del Cluster of Excellence IntCDC e del Cluster of Excellence liv MatS, che funge da edificio di ricerca dell’Università di Friburgo. Il sistema di ombreggiatura è stato installato sul suo lucernario esposto a sud, che aiuta nella regolazione del clima interno dell’edificio. Durante l’inverno, gli elementi di ombreggiatura stampati in 4D si aprono per consentire alla luce solare di entrare per il riscaldamento naturale. In estate, si chiudono per ridurre al minimo la radiazione solare. Alimentato esclusivamente da cicli meteorologici giornalieri e stagionali, questo processo adattivo funziona senza alcuna fornitura di energia elettrica.
Il “Solar Gate” rappresenta quindi un’alternativa energeticamente autonoma ed efficiente in termini di risorse ai sistemi di ombreggiatura convenzionali. Poiché gli edifici rappresentano una quota significativa delle emissioni globali di carbonio a causa dell’energia tipicamente elevata necessaria per mantenere il comfort interno, ridurre l’energia richiesta per il riscaldamento, il raffreddamento e la ventilazione è di grande importanza. Il “Solar Gate” evidenzia il potenziale di tecnologie accessibili ed economiche come la produzione additiva e mostra come la cellulosa, in quanto materiale abbondante e rinnovabile, possa contribuire a soluzioni architettoniche sostenibili.(30Science.com)
